(ChIP-seq) Protocol - Springer Static Content Server

8 downloads 114 Views 236KB Size Report
Micrococcal Nuclease (MNase): e.g. USB product #70196Y. ... Proteinase K (e.g. USB product #76230Y) .... Elute in 50 µl 5 mM Tris for maximum recovery.
Low cell‐number Native Chromatin  Immunoprecipitation‐sequencing (ChIP‐seq) Protocol  Supplementary method: Gilfillan et al.    The protocol below is written for frozen, live cells, but can easily be adapted for use with freshly  prepared samples. As written below, it has been optimised for sorted CD4+ & CD8+ lymphocytes in  the range of 2 x 105 – 1 x 106 cells (starting cell numbers). For lower cell numbers, scaling all volumes  down by a factor of 5 has been tested and works well down to at least 4 x 104 cells. The protocol  generates chromatin than can be diluted and used for multiple immunoprecipitations (e.g. chromatin  equivalent to 2 x 104 cells per IP). In particular, it is likely that each batch of MNase purchased may  require optimisation to adjust for differences in activity, so it is recommended to purchase sufficient  MNase for multiple experiments and freeze this in appropriate aliquots.    MATERIALS REQUIRED (standard laboratory suppliers unless specified)  1. Micrococcal Nuclease (MNase): e.g. USB product #70196Y.  ‐Resuspend in 50% glycerol at 1 mg / ml (1.15 Units / µl) , store at ‐20 oC = 1x stock  ‐Diluted 1 /10 with further 50% glycerol, store at ‐20 oC  = 0.1x stock (allows use of more  accurate pipetting volumes due to the small amounts required in this protocol)  2. Proteinase K (e.g. USB product #76230Y)  ‐Dissolve in H2O to 10 mg / ml and store at ‐20 oC  3. Specific  antibodies  (ChIP‐seq  tested)  and  control  IgG  (e.g.  #sc‐2027;  Santa  Cruz  Biotech,  Santa Cruz, CA)  4. TPX 1.5 ml tubes (Diagenode s.a., Liège, Belgium)  5. 8‐well 0.2ml strip tubes (e.g. from Applied Biosystems, Foster City, CA)  6. Protein A Dynabeads (Invitrogen, Carlsbad, CA)  7. Protein G Dynabeads (Invitrogen, Carlsbad, CA)  8. DNA purification columns (e.g. Genomic DNA Clean & Concentrator; Zymo Research, Irvine,  CA)  9. Protease Inhibitor Cocktail (e.g. P8340; Sigma‐Aldrich, St. Louis, MO). Use at 100x dilution  (high conc.) or 1000x dilution (low conc.)  10. Reagents & primers for quantitative PCR  11. General laboratory chemicals required for buffer preparation: 1M Tris‐HCl pH 8.0, 0.5M  EDTA, 1M CaCl2, 5M NaCl, 10% SDS, 10% Sodium deoxycholate, 0.5M EGTA, Triton X‐100,  Igepal CA‐630, KCl, Na2HPO4, KH2PO4.  12. Illumina TruSeqTM DNA sample preparation kit (part number FC‐121‐1001; Illumina, San  Diego, CA)  13. Agencourt AMPure XP DNA purification beads (Beckman Coulter, Beverly, MA)  14. 99% pure laboratory ethanol 

1   

15. Materials for TAE gel electrophoresis, including scalpel for band excision, DNA size standards  and ethidium bromide for staining. Recommended agarose = Certified Low Range Ultra  Agarose (Biorad, Hercules, CA)  16. MinElute gel extraction kit (product # 28604; Qiagen, Hilden, Germany)  17. Qubit dsDNA HS Assay Kit (product #Q32851, Invitrogen, Carlsbad, CA)  18. 2100 Bioanalyzer High Sensitivity DNA Kit (product #5067‐4626; Agilent Technologies, Santa  Clara, CA)    EQUIPMENT REQUIRED (standard laboratory suppliers unless specified)  1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16.

Cold Room  Magnet for 1.5 ml tubes (e.g. DynaMag‐2; Invitrogen, Carlsbad, CA)  Magnet for 0.2 ml tubes (e.g. DiaMag02; Diagenode s.a., Liège, Belgium)  Bioruptor (Diagenode s.a., Liège, Belgium)  2100 Bioanalyzer (Agilent Technologies, Santa Clara, CA)  Microfuge for 1.5 ml tubes ‐ room temp  Microfuge for 1.5 ml tubes ‐ chilled  Mini centrifuge with rotor for 8‐well strips  Rotating wheel with mountings holding 8‐well strips  Shaking thermal block for 1.5 ml tubes  Quantitative real‐time PCR machine  (Optional) Aspirator apparatus & waste trap  Equipment for agarose gel electrophoresis  Dark reader transilluminator (product #D195M; Clare Chemical Research, Dolores CO)  2100 Bioanalyzer (Agilent Technologies, Santa Clara, CA)  Qubit Fluorometer (Invitrogen, Carlsbad, CA) 

    BUFFERS  1. MNase Digestion buffer  ‐ 50 mM Tris‐HCl, pH 8.0  ‐ 1 mM CaCl2  ‐ 0.2 % Triton X‐100    2. 10x MNase Stop buffer  ‐ 110 mM Tris‐HCl pH 8.0  ‐ 55 mM EDTA    3. 10x PBS   Dissolve the following in H2O, then autoclave. Prepare a fresh 1x stock from this prior to starting  protocol below.  ‐ 80 g NaCl  ‐ 2 g KCl  ‐ 14.4 g Na2HPO4  ‐ 2.4 g KH2PO4  2   

4. ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 5. ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 6. ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 7. ‐ ‐

  2x RIPA IP buffer (on ice)  280 mM NaCl  1.8 % Triton X‐100   0.2 % SDS  0.2 % Na‐Deoxycholate   5 mM EGTA    RIPA buffer (on ice)  10 mM Tris pH 8.0  1 mM EDTA  140 mM NaCl  1 % Triton X‐100   0.1% SDS  0.1 % Na‐Deoxycholate     LiCl wash buffer (on ice)  250 mM LiCl  10 mM Tris pH 8.0  1 mM EDTA  0.5 % NP‐40 (now known as Igepal CA‐630)  0.5 % Na‐deoxycholate    TE (on ice)  10 mM Tris‐HCl pH 8.0  1 mM EDTA 

Notes on buffer preparation:  Triton X‐100 should be added from a 10% (w/v) stock in H2O: For greatest accuracy weigh the liquid  triton (density 1.07 g / ml). Prepare Igepal Ca‐630 in a similar manner.  Na‐Deoxycholate 10% stock: Filter sterilise after dissolving in H20. 

    DAY 1  1. Thaw & spin down cells in TPX tubes.  Thaw an aliquot of frozen cells in a water bath at 37oC. Immediately transfer the cells to a 1.5  ml TPX tube and centrifuge 5 mins, 1500 x G, room temp.  2. Wash cells with PBS.  Discard supernatant in hazardous waste, and resuspend cell pellet in 1 ml PBS (room temp).  Centrifuge again as above.  3. Dilute MNase in digestion buffer to 1/300 original conc.  Whilst cells are centrifuging, prepare a fresh working dilution of MNase sufficient for all  samples you will process. Use pipetting volumes that will be most reproducible (e.g. 5 µl  3   

4.

5.

6. 7.

8. 9. 10. 11.

12.

13.

14.

“0.1x MNase” plus 145 µl digestion buffer). Store diluted enzyme on ice. Discard remaining  diluted enzyme after use.  Resuspend cells in digestion buffer + protease inhibitors.  Remove & discard supernatant, then resuspend cell pellet in 95 µl digestion buffer per 1 x  106 cells (room temp) supplemented with protease inhibitors (high conc). Immediately  pipette cells gently up and down several times to prevent aggregation of lysed cell  components.  MNase Digestion  For every 1 x 106 cells, add 5 µl diluted MNase to cells, flick tube to mix, then place in 37 oC  block (no shaking) for EXACTLY 5 mins. Process multiple samples in series so that each  receives 5 mins incubation. Note that the amount of MNase required will need to be  determined empirically for each new batch of enzyme purchased or for new cell types.  Add appropriate volume 10x stop buffer, mix thoroughly but gently. Keep samples on ice /  coldroom from now on.  Sonicate in Bioruptor  Sonicate in the Bioruptor for 60 secs (high power, no pulsing). Volume in individual 1.5 ml  tubes must not exceed 300 µl.  Adjust buffer to RIPA conditions by adding cold “2x RIPA IP buffer” (110 µl per 1 x 106 cells)  supplemented with protease inhibitors (high conc). Mix by flicking tube.  Spin tubes for 15 mins in a microfuge, top speed, 4 oC.   Remove supernatants to fresh pre‐cooled tubes (1.5 ml regular polypropylene) and store on  ice.   Remove input for later use in qPCR / control of digestion on Agilent Bioanalyzer.  Remove 10% volume of chromatin and store for later purification. When convenient, digest  this aliquot by adding TE to 95 µl and 5 µl proteinase K (10 mg / ml stock). Incubate with  shaking (1200 rpm or greater) in a 55 oC block for 1 hour. Purify over a spin column  (recommended = Zymo research gDNA #D4010) and elute in 10 µl 5 mM Tris. Load 1 µl on  Bioanalyzer HS chip as per manufactures instructions. Digestion should reveal a majority of  mono‐nucleosomes (ca. 140 bp) with di‐ and tri‐ nucleosome peaks also clearly visible. Store  remainder for use as “input” samples in qPCR.   Prepare sufficient protein A & G Dynabeads  You will need 25 µl beads (1:1 mix of protein A and protein G – this can be mixed in advance)  per IP = 10 µl for preclearing, 10µl for IP and ca. 5 µl excess. Pipette the desired amount into  a 1.5 ml tube, and using the magnet, wash them twice with 1 ml RIPA buffer +protease  inhibitors (low conc). Finally, resuspend them to their original volume in RIPA buffer +  protease inhibitors (low conc).  Dilute chromatin to 100µl/ IP  IPs will later be performed in 0.25 ml thin‐walled PCR tubes, which give best mixing upon  rotation with 100‐150 µl volumes. If performing >2 IPs, dilute your chromatin now to allow  ca. 100µl per IP. Dilute with RIPA + protease inhibitors (low conc).  Preclear chromatin with beads  For every IP you will perform, add 10 µl washed dynabeads to the chromatin. e.g. if you will  perform 4 separate IPs, add 40 µl beads. Incubate with rotation at 4 oC for 1 hour.      4 

 

15. Bind antibodies overnight  Remove beads on magnet, and transfer 100 µl chromatin per IP to a well of an 8‐well thin‐ walled tube strip. Add antibodies (amounts must be determined empirically), seal with 8‐well  strip caps, and incubate overnight with rotation at 4 oC. Be sure to perform appropriate  negative controls such as pre‐immune or control IgG IPs in addition to specific  immunoprecipitations. 

DAY 2  1. IP with protein A/G beads  Spin down liquid from lids of tubes in mini centrifuge. Add 10 µl beads per IP and incubate a  further 2‐3 hours with rotation at 4 oC.   2. Wash beads  Prepare sufficient RIPA and LiCl wash buffer for all IPs, supplemented with protease  inhibitors (low conc.). All washes with rotation at 4 oC, 5 mins duration.  Wash as follows:  5 washes with  150 µl RIPA buffer        1 wash with  150 µl LiCl wash buffer    Perform washes in cold room, using magnet to collect beads between washes. Beads stuck in  tube lids should be collected by briefly spinning tube strips in mini centrifuge prior to placing  strips on magnet. Use of an aspirator to remove buffers will greatly speed this step.    3. Rinse beads with a final wash of cold TE (no protease inhibitors), 150 µl.  Note that beads do not adhere so well to tube walls in TE buffer, so use a pipette rather than  aspirator to remove TE.   4. Digest proteins with proteinase K  Prepare sufficient TE buffer supplemented with proteinase K (10 mg / ml stock). You need 95  µl TE and 5 µl proteinase K per IP.  Resuspend each bead pellet in 100 µl TE / proteinase K solution, transfer to a fresh 1.5 ml  tube, and incubate with shaking (1200 rpm or greater) in a 55 oC block for 1 hour.  5. Purify Immunoprecipitated DNA using a cleanup column.  ‐ Add binding buffer to beads / TE mix and vortex  ‐ Place tube on magnet and wait until beads aggregate  ‐ Transfer supernatant to cleanup column, and proceed as in manufacturers instructions  ‐ Elute in 50 µl 5 mM Tris for maximum recovery. Wait 1 min after adding elution buffer before  spinning    6. Verify IPs worked by qPCR (use 2µl per 10 µl PCR reaction). Be sure to leave at least 30µl  eluate for ChIPseq library generation, so dilute an aliquot for Q‐PCR analysis if necessary.  Test at least one positive & negative control region appropriate to each antibody before  proceeding to prepare Illumina sequencing libraries.   

  5   

DAY 3  Illumina sample library preparation.  The following procedure contains minor modifications from the protocol described in Illumina’s  TruSeq DNA Sample Preparation Guide (part no. 15005180 Rev. A). Do not use the end repair, A‐ tailing or ligation control DNAs supplied in the Illumina TruSeq kit when preparing samples from ChIP  DNA. Users should consult the above preparation guide for handling and storage instructions  regarding the reagents supplied with the kit. For all reaction setups below, pipette the components  in order and mix by pipetting up and down 10 times when all components have been added. 

  1. Perform End Repair  Set up the reaction below (on ice) for each ChIP sample, then incubate at 30oC for 30 mins.    ChIP DNA from step 5 above:  25 µl  Resuspension buffer (RSB):   5 µl  End Repair Mix (ERP):    20 µl      Total:    50 µl      2. Warm AMPure XP beads to room temperature and prepare sufficient 80% ethanol for  washing (prepare fresh each day).    3. Clean up reactions using AMPure XP beads (all steps at room temperature)  ‐ Add 80 µl AMPure XP beads to each reaction, mix, and incubate for 15 mins.   ‐ Place the mixture on a magnetic rack and allow to clear (15 mins).  ‐ Remove and discard supernatant, and leave tube on magnet.  ‐ Wash beads twice with 200 µl 80% ethanol (freshly prepared).  ‐ Remove all traces of ethanol with a pipette, then let tube stand for 5 mins (still on magnet)  to allow ethanol to evaporate.  ‐ Remove tube from magnet and resuspend beads in 20 µl RSB, then incubate 2 mins on  bench.  ‐ Replace tube on magnet and allow to clear. Transfer 17.5 µl to a fresh tube.     4. Adenylate 3’ ends  Set up the reaction below (on ice) for each ChIP sample, then incubate at 37oC for 30 mins.    DNA from step 3 above:   17.5 µl  A‐tailing Mix (ATL):    12.5 µl      Total:    30 µl    5. Prepare index adapters  Whilst A‐tailing reactions are incubating, thaw and dilute TruSeq DNA adapters 1:10 with  H20. Consider at this point which reactions will be run together (indexed) in a lane of  sequencing and select appropriate adapters for each sample. Discard unused diluted adapter  after use.  6   

6.

7.

8. ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 9. ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 10.

  Ligate adapters  Set up the reaction below (on ice) for each ChIP sample, then incubate at 30oC for 10 mins.    Adenylated DNA from step 4 above:   30 µl  Resuspension buffer (RSB):      2.5 µl  Ligase Mix (LIG:        2.5 µl  1/10 Diluted adapter:       2.5 µl      Total:        37.5 µl    Stop ligation  Add 5 µl Stop Ligase Mix (STL), mix by pipetting, centrifuge briefly. Store on bench, but  proceed immediately.    Clean up reactions using AMPure XP beads (all steps at room temperature)  Add 42.5 µl AMPure XP beads to each reaction, mix, and incubate for 15 mins.   Place the mixture on a magnetic rack and allow to clear (2‐5 mins).  Remove and discard supernatant, and leave tube on magnet.  Wash beads twice with 200 µl 80% ethanol (freshly prepared).  Remove all traces of ethanol with a pipette, then let tube stand for 5 mins (still on magnet)  to allow ethanol to evaporate.  Remove tube from magnet and resuspend beads in 52.5µl RSB, then incubate 2 mins on  bench.  Replace tube on magnet and allow to clear. Transfer 50 µl to a fresh tube.     Perform an additional AMPure XP bead cleanup   Add 50 µl AMPure XP beads to each reaction, mix, and incubate for 15 mins.   Place the mixture on a magnetic rack and allow to clear (2‐5 mins).  Remove and discard supernatant, and leave tube on magnet.  Wash beads twice with 200 µl 80% ethanol (freshly prepared).  Remove all traces of ethanol with a pipette, then let tube stand for 5 mins (still on magnet)  to allow ethanol to evaporate. It is essential at this stage that no traces of ethanol remain.  Remove tube from magnet and resuspend beads in 22.5µl RSB, then incubate 2 mins on  bench.  Replace tube on magnet and allow to clear. Transfer 20 µl to a fresh tube.     Size select ligation products on a 2% TAE agarose gel  Prepare a 2% TAE agarose gel prestained with ethidium bromide, and run the entire product  of step 9 above in a single lane, flanked by size standards appropriate to the size range you  wish to purify. Run the gel for no longer than necessary (typically 45 mins at ca. 100V) to  separate the desired size range. No DNA will be visible in the target lane. Excise as broad a  size range as possible within the 400 mg limit of the Qiaquick purification that follows, unless  you are concerned your input chromatin has not been adequately sheared in the first place.  For example, we regularly excise DNA in the range 200‐500 bp. Smaller ranges are possible if  greater resolution is desired, but may reduce the complexity of the resulting library. DO NOT  7 

 

cut fragments below 130 bp, where adapter dimer products run, which will require  additional cleanup following PCR.     11. Purify selected DNA using MinElute gel extraction columns  Follow the instructions in the MinElute gel extraction kit. However, dissolve agarose slices at  room temperature, not by heating. Add isopropanol as directed to buffer QG prior to column  loading, and perform additional QG wash as directed. Wait as directed after adding buffer PE  prior to centrifugation. Finally, elute the purified DNA from the column in 22.5 µl Qiagen  buffer EB.    12. PCR amplify isolated DNA  Set up the reaction below (on ice) for each ChIP sample, then amplify with the conditions  specified.    DNA from step 11 above:     20 µl  TruSeq PCR primer cocktail:       5 µl  TruSeq PCR master mix:      25 µl      Total:        50 µl      Amplification conditions:    98 oC, 30 s  98 oC, 10 s  Repeat for a total of 16‐18 cycles*  60 oC, 30 s  o 72  C, 30 s  72 oC, 5 mins    * Empirical optimisation of the number of cycles required will be necessary, and is  dependent on antibody specificity & affinity, the abundance of the targeted protein bound to  chromatin, and cell type. The lowest suitable number of cycles is recommended to minimise  PCR‐induced bias and duplicate reads.     

]

         

8   

DAY 4  1. ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐ ‐

Clean PCR products using AMPure XP beads   Add 50 µl AMPure XP beads to each reaction, mix, and incubate for 15 mins.   Place the mixture on a magnetic rack and allow to clear (2‐5 mins).  Remove and discard supernatant, and leave tube on magnet.  Wash beads twice with 200 µl 80% ethanol (freshly prepared).  Remove all traces of ethanol with a pipette, then let tube stand for 5 mins (still on magnet)  to allow ethanol to evaporate.   Remove tube from magnet and resuspend beads in 17 µl RSB, then incubate 2 mins on  bench.  Replace tube on magnet and allow to clear. Transfer 15 µl to a fresh tube.    

This DNA is now an Illumina ChIP‐seq library.  2. QC library  Before sequencing, we recommend the following tests of library quantity & quality.  ‐ ‐



Measure DNA quantity using the Qubit High Sensitivity kit, or an equivalent fluorometric  method  Control that adapter dimers have been removed, and that library is of expected size  (adapters will add 122 bp to the original input) using the Bioanalyzer High Sensitivity  reagents.  After diluting library to 10 or 2 nM as recommended by Illumina for sequencing, control  amplification of the generated library to a previous library of known performance by real‐ time PCR. See Illumina’s guidelines for details (Part # 11322363 Rev. C). 

       

9   

Suggest Documents